光纤光栅外腔半导体激光器的稳频装置及其稳频方法

摘要

本发明属于激光器光源的稳频技术领域,包括激光光源;乙炔气体吸收室;伺服反馈控制器;激光光源由量子阱F－P型半导体激光管芯和一支光纤光栅构成的光纤光栅外腔半导体激光器,其中该半导体激光管芯与光纤光栅的耦合端面镀有增透膜,光纤光栅的另一端连有一准直器,该光纤光栅两端还连接有两块首尾相连的压电陶瓷;所说的伺服反馈控制器中的锁相放大器的两个输入端分别与光探测器输出端和正弦信号源相连,该信号源和高压驱动器的一端连于锁相放大器,另一端分别与所说的两块压电陶瓷相连;在该准直器与乙炔气体吸收室之间的光路上还设有一隔离器和一部分反射镜。本发明具有较高频率稳定性和极窄的激光线宽的优点,而且具有实现结构简单,机械稳定性高的特点。

说明书

技术领域

本发明属于激光器光源的稳频技术领域，特别涉及采用光纤光栅外腔半导体激光器的稳频方法。

背景技术

光波分复用(WDM)系统作为当前通信领域的主要研究方向之一，正在迅猛发展。在诸多WDM技术中，高稳定性的激光光源是关键技术之一。它对于实现光信道的密集复用，消除相邻信道间的串扰和提高信号传输质量是十分必要的，此外高稳定性的光源对于1.5μm波段的计量工作也具有十分重要的意义。

稳频技术的原理是：激光器输出的光送入鉴频器与参考频率比较，得到的频率误差信号送入伺服系统中，该系统通过反馈控制使激光频率锁定在参考频率上，实现激光器频率稳定。目前稳频技术研究的热点是光通信窗口1.5μm通信波段。为了保证系统稳定工作和不同厂商设备互联，国际电信联盟组织(ITU-T)制定了该波段的信道频率标准。这就要求WDM通信光源频率必须严格工作在规定的频率上，这使得激光器的稳频十分必要。现在已有采用法布里-珀罗腔(F-P)、光纤法布里-珀罗腔(FFP)、波导光栅阵列(AWG)和光纤光栅(FBG)等人工器件作为鉴频器的稳频半导体激光器的报道，但由于人工器件的长期稳定度都不高，所以很难获得较高的频率稳定度；利用原子能级跃迁和分子振转谱线作为参考频率可以实现相当高的稳频精度，在1.5μm波段目前发现可利用的吸收谱线有铷(Ru)、氪(Kr)、氨气(NH₃)、乙炔(C₂H₂)和氢化氰(HCN)等。国外已有若干利用这些谱线实现激光器稳频的报道：1989年M.Ohtsu和E.Ikegami利用二倍频信号锁定在Ru原子谱线实现1.56μmDFB激光器稳频；1988年Y.C.Chung和C.B.Roxlo报道利用气体放电下的Kr1.533μm原子跃迁谱线实现对DFB激光器的稳频；1989年日本NTT公司报道了利用¹²C₂H₂在1.53μm和¹³C₂H₂在1.55μm的吸收谱线实现分布反馈激光器(DFB)的稳频。

上述稳频方案中所用激光光源为DFB或体光栅外腔半导体激光器。

已有的一种DFB激光器的典型稳频装置如图1所示，该装置为利用乙炔气体在1.53μm附近的吸收谱线实现DFB激光器稳频的示意图。整个系统由激光光源、乙炔气体吸收室(鉴频器)和伺服反馈控制器三部分组成。其中激光光源包括DFB激光器、激光电流源和温度控制器；伺服反馈控制器包括光探测器、锁相放大器和正弦信号源。该装置的稳频方法为：DFB激光器的输出光由于正弦信号源对激光器注入电流的调制而频率调制；激光器输出光经过乙炔气体吸收室后，激光器频率与乙炔吸收峰的频率偏差值转化为光强调制信号；该输出信号经探测器变为电信号锁相放大器处理后得到的反馈控制信号送入激光电流源，调整注入激光器电流大小，使激光器的工作频率调整到乙炔吸收峰中心上。由于DFB激光器的线宽较宽，频率随温度和电流漂移较严重，这些都影响到稳频系统的频率稳定度。

体光栅外腔半导体激光器由于是外腔激光器，所以线宽窄，光源单模特性好，可用作稳频系统光源。已有的一种体光栅外腔半导体激光器的稳频装置的典型结构如图2所示。该装置仍由激光光源11、气体吸收室(鉴频器)12和伺服反馈控制器三部分组成，其中激光光源采用体光栅外腔半导体激光器11，一般将外腔镜或体光栅装在压电陶瓷上。只是其稳频方法有两点不同：(1)激光器频率控制是通过改变激光器外腔长实现的，该伺服反馈控制器输出的电压信号加在压电陶瓷上，从而改变外腔激光器的腔长，也就改变了激光输出频率；(2)激光器的频率调制是用外调制器实现的，这是因为外腔激光器腔长较长，所以电流频率调制效果不好，只能用外调制器获得频率调制。这种体光栅外腔半导体激光器一般结构包括激光器管芯、透镜、反射镜和体光栅，结构复杂，而且机械稳定性差，价格昂贵，这是该光源作为稳频系统光源的不足。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种光纤光栅外腔半导体激光器的稳频装置及其稳频方法，具有较高频率稳定性和极窄的激光线宽的优点，而且具有结构简单，机械稳定性高的特点。

本发明提出的一种光纤光栅外腔半导体激光稳频装置，包括由激光器及其温度控制器和电流源组成的激光光源；由乙炔气体吸收室构成的鉴频器；由光探测器、锁相放大器、信号源和高压驱动源组成的伺服反馈控制器；其特征在于，所说的激光器由量子阱F-P型半导体激光管芯和一支光纤光栅构成的光纤光栅外腔半导体激光器，其中该半导体激光管芯与光纤光栅的耦合端面镀有增透膜，光纤光栅的另一端连有一准直器，该光纤光栅两端还连接有两块首尾相连的压电陶瓷；所说的伺服反馈控制器中的锁相放大器的两个输入端分别与所说的光探测器输出端和所说的信号源相连，该信号源和高压驱动器的一端连于锁相放大器，另一端分别与所说的两块压电陶瓷相连；在该准直器与乙炔气体吸收室之间的光路上还设有一隔离器和一部分反射镜。

本发明提出的上述光纤光栅外腔半导体激光器的稳频方法，包括以下步骤：

1、接通激光器电源，调节激光器注入电流和激光器温度，使激光器工作在外腔激光器波长与相邻管芯内腔模式之间的波长间隔为内腔模式间隔的一半处的最佳工作点，以使激光器的输出功率和频率达到最稳定；

2、接通伺服反馈控制器电源，并且使伺服反馈控制器处于开环工作状态；

3、调节光纤光栅调谐器中压电陶瓷上的电压，也就是调谐激光器输出波长，进行乙炔吸收峰频率搜索，同时检测光探测器的输出信号和从中提取的2倍频信号；

4、当检测到探测器输出交流信号最小而其2倍频信号最大时，让伺服反馈控制器处于闭环工作状态，即激光器就进入了稳频状态。

本发明装置的特点在于：

采用光纤光栅外腔半导体激光器为激光光源。该激光器与DFB激光器相比，较高频率稳定性和极窄的激光线宽；与体光栅外腔半导体激光器相比，结构简单，而且机械稳定性高。所以光纤光栅外腔半导体激光器可作为稳频系统的优质光源。

本发明方法特点在于：

(1)解决了光纤光栅外腔半导体激光器的波长调谐和交流调制，满足了稳频技术要求的波长信号的搜索、跟踪和鉴频信号的产生与提取，实现了闭环反馈控制。因为光纤光栅外腔半导体激光器的激光波长由光纤光栅布拉格波长决定，所以改变激光器注入电流和改变外腔长度都不能有效的实现其的频率控制。同样的道理，通过电流调制实现激光器频率调制对光纤光栅外腔半导体激光器也不适用。因此要想实现这种优质光源的稳频，需要采取其它方法。光纤光栅外腔半导体激光器的输出波长由光栅布拉格波长决定，本发明通过用压电陶瓷对光纤光栅调谐实现了光纤光栅外腔半导体激光光源的频率控制。另外为了获得鉴频误差信号，需要对激光器输出频率进行调制，采用在压电陶瓷上加载交流电压使光纤光栅产生振动，从而对光栅周期实现调制，使得激光频率获得频率调制的；

(2)找到稳频激光器的最佳工作点，即外腔激光器波长与相邻管芯内腔模式之间的波长间隔为内腔模式间隔的一半。通过调整激光器工作电流和温度获得最佳工作点，提高了系统的信噪比，使稳频激光器能够长期稳定运行。

附图说明

图1为已有一种典型的DFB激光器稳频系统结构示意图；

图2为已有一种典型的体光栅外腔半导体激光器稳频系统结构示意图；

图3为本发明的光纤光栅外腔半导体激光器稳频系统的实施例示意图。

具体实施方式

本发明提出的光纤光栅外腔半导体激光器稳频装置的实施例结合附图详细说明如下：

本实施例的装置总体结构如图3所示，包括激光光源、乙炔吸收室和反馈控制器；其中，激光光源为光纤光栅外腔半导体激光器，激光光源配有温度控制器，可实现温度控制精度0.01℃，激光电流源为恒流源，这些措施保证激光器稳定的输出功率和频率；乙炔气体吸收室为5cm长，直径1.5cm的石英玻璃管。管内充有10Torr的乙炔气体。反馈控制器主要包括光探测器、锁相放大器、1KHz正弦信号源和高压驱动源。还包括在该光纤光栅1两端连接的两块首尾相连的压电陶瓷2和3；以及由设置在激光器输出光路中的准直器4、光隔离器、光学部分反射镜5。

本实施例选定的激光光源由量子阱F-P型半导体激光管芯和一只长1厘米的光纤光栅1构成，其中半导体激光管芯与光纤光栅的耦合端面镀有90％的增透膜6，以消除内腔模式振荡，整个外腔激光器全长20cm；光纤光栅反射率应在10～12dB之间，3dB反射带宽约0.3nm，光纤光栅是利用Ar离子腔内倍频激光器产生的紫外激光照射，模板写入法获得的，装在调谐机构上的光纤光栅布拉格波长为1530.15nm，比稳频后的工作波长即乙炔在1530.37nm的吸收峰小0.2nm左右；光栅与管芯的耦合效率为50％。

本实施例的稳频方法的具体步骤为：

(1)激光器工作电流设置为60mA，温度设置为20度，微调温度，使光纤光栅外腔半导体激光器工作在最佳工作点，这样做主要因为：激光器镀膜表面残余的反射率使激光器的荧光输出谱仍会有大约3～5dB的内腔膜，而内腔模的存在影响外腔激光器的功率输出稳定性，只有当外腔激光器波长与相邻管芯内腔模式之间的波长间隔为内腔模式间隔的一半时激光功率和频率才能最稳定，这就是光纤光栅外腔半导体激光器的最佳工作点，可以在其附近实现频率控制和调制，这时激光器输出功率为1mW，工作波长为1530.37nm。

(2)接通反馈伺服系统电源，并打开开关7，使其工作在开环状态，即反馈控制信号不作用在光纤光栅调谐机构上。伺服系统的信号源产生的1KHz交流信号作用在压电陶瓷3上，压电陶瓷3的振动作用在光纤光栅上，使激光器输出光得到频率调制。激光器输出光经准直器4后变为空间平行光。为了防止其它地方的反射光进入外腔激光器，在光路中插入一个隔离器。经过隔离器的光被部分反射镜5分为两束光，一束光作为稳频系统输出光，另一束光作为鉴频器输入光，该束光穿过乙炔吸收室。频率被调制的激光经乙炔吸收室后，激光与乙炔吸收峰中心频率的偏离量被转化为光强调制信号，该信号被光电探测器接收。

(3)进行乙炔吸收峰中心波长搜索。逐步改变压电陶瓷2上的电压，使激光器输出波长向已炔吸收峰移动，观测光探测器的输出信号和从中提取的2倍频信号；当检测到探测器输出交流信号最小而其2倍频信号最大，这时激光器输出波长正好在乙炔吸收峰中心波长处。

(4)闭合开关7，让伺服反馈控制器处于闭环工作状态，即激光器就进入了稳频状态。探测器输出电信号和1KHz信号源输出信号送入锁相放大器，得到误差控制信号，该信号再经过高压驱动器放大，作用在压电陶瓷2上。光纤光栅在压电陶瓷2的伸缩下调整光栅周期，从而实现激光器的频率控制。

本发明可广泛用于各种参考频率的光纤光栅外腔半导体激光器的稳频技术，也可以单独用于单模、窄线宽、可调谐半导体激光器的光源。